青土湖干涸湖底風沙區植被特征與地表輸沙量關系

郭樹江, 楊自輝,3, 王強強, 王多澤,王 飛, 樊寶麗, 張逸君, 李易珺, 王明國

(1.甘肅省治沙研究所, 蘭州 730070; 2.甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站,甘肅 民勤 733300; 3.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室(培育基地), 甘肅 武威 733000)

風沙運動是伴隨地表土壤風蝕和沙塵暴出現的一種地表過程，會對生態環境與人類生存造成嚴重危害[1]。風沙運動規律是治沙理論基礎，它能直接表征沙粒的運動形式，判斷地表蝕積狀況[2]。長期以來，國內外學者關于風沙運動的研究多通過數值模擬[3]、室內風洞模擬[4-6]或野外觀測[7-8]得出，并取得了一系列研究成果。風沙運動最普遍的形式就是風沙流[9]，而植被狀況是下墊面中影響近地面風沙流輸沙量的重要因素之一[10]，關于植被特征對風沙運動的影響，部分學者也開展了相關研究[11-14]，結果表明，植被可阻斷風對植被所覆蓋地表的直接作用，降低近地表風速，增加地表粗糙度，削弱風沙流強度，減小就地起沙，降低風沙流攜沙能力使沙粒沉積。

青土湖是石羊河流域下游的尾閭湖泊，在1959年完全干涸后，濕地植被演化為鹽堿化荒漠，成為新的沙塵暴起沙源[15-16]，在極端干旱的環境和惡劣的自然條件影響下，地表風蝕和沙漠化嚴重，細小的鹽堿粉塵被卷入空氣中，嚴重影響著周邊農業生產、交通運輸，制約當地經濟社會的可持續發展[17]。為了改善石羊河下游區域生態環境，2010年石羊河上游來水量增加，干涸51 a之久的青土湖人工濕地逐步形成，對于調節區域氣候、維持沙漠生態環境、保護生物多樣性、減小鹽堿沙塵對環境的污染、促進沙區經濟發展和提高人民生活質量起到了重要意義，但由于上游來水量有限、蒸發強烈、入滲補給地下水等因素，大面積湖床常年處于裸露狀態，鹽堿風沙危害依然嚴重[18]。郭樹江等[19]對石羊河流域下游青土湖近地層0～50 m鹽塵的分布規律及風速的變化特征進行了研究，結果表明研究區年內平均風速最大為5月，最小為11月，鹽塵水平通量的空間分布隨高度的增加而增加。而對于青土湖干涸湖底植被特征與風沙活動之間的關系并未進行研究，因此開展該區植被特征與風沙流輸沙量之間相互關系研究，既可闡明湖底風沙區植物種群及群落的動態特征，還可以揭示不同立地條件風沙流輸沙量與植被數量特征之間的關系。研究成果可補充和完善干涸湖底風沙環境資料，并對內陸河干涸尾閭湖泊風蝕沙漠化形成機理具有重要的參考價值，同時也為湖底植物多樣性保育和鹽堿化荒漠治理提供科學依據。

1 研究區概況

青土湖位于石羊河流域下游，地理位置為39°08′N,103°35′E，海拔高度為1 292～1 310 m，該區域屬于溫帶大陸性干旱荒漠氣候。年平均氣溫為7.8℃，大于10℃的有效積溫3 289.1℃;年降水量110 mm左右，蒸發量達2 640 mm以上;無霜期168 d，日照時數3 181 h，太陽輻射630 kJ/cm2;全年盛行西北風，危害風向主要為西北風，風力強勁，年均風速4.1 m/s。區域地形地貌為湖相沉積基質上相互交錯分布流動、半固定、固定沙丘和丘間低地，沙丘高度3～10 m。地帶性土壤為灰棕漠土，非地帶性土壤為草甸沼澤土和風沙土。研究區白刺灌叢土壤可溶生鹽分含量達9.0 g/kg，流動沙地梭梭林含量為1.5 g/kg左右。植被類型為典型的荒漠植被，主要植被類型為唐古特白刺灌叢(Form.Nitrariatangutorum)、人工梭梭林(Haloxylonammodendron)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)群落和蘆葦群落(Form.Phragmitesaustralis)，白刺沙堆呈斑塊狀分布，面積相對較大，蘆葦群落主要分布在地下水位較淺的區域。草本植物有豬毛菜(Salsolacollina)，駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)，戟葉鵝絨藤(Cynanchumsibiricum)，沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)，砂藍刺頭(Echinopsgmelinii)，碟果蟲實(Corispermumpatelliforme)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

青土湖自2010年上游來水量增加，湖底人工濕地逐漸形成，本研究只對湖底風沙區進行試驗、研究，而對于人工濕地區未進行觀測。2018年9月對湖底風沙區開展調查，湖底不同植被群落呈片狀集中分布，主要分布有天然白刺灌叢、人工梭梭林、天然鹽爪爪群落，各群落灌木植物優勢種明顯，且每個植物群落立地條件差異明顯。因此根據植被群落類型和立地類條件，將研究區內劃分為9個類型，分別為流動沙丘白刺灌叢、半固定沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢(丘間地和沙包表面完全被鹽結皮覆蓋)、穩定沙丘白刺灌叢(位于濕地區下風向，無沙源補充，丘間地和沙包表層砂粒較粗，沙包表面結皮覆蓋少)、流動沙地梭梭林、鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落、荒地鹽爪爪群落、湖底灘地(表1)，樣地的選擇中在每種類型中心區域沿主風向每隔100 m設置10 m×10 m的植被調查樣方3個，共設置樣方27個，調查植物群落植物種類、數量、株高、冠幅、新梢生長量，并計算密度、各種植物蓋度、多樣性指數等。同時測定并記錄各樣地經緯度等。

表1 觀測樣地基本情況

2.2 風沙流的觀測方法

在研究區9種立地類型，每種類型設置觀測樣地2個，在每個樣地中選擇地勢平坦，四周無明顯遮擋物的位置安裝風沙流流量計1套開展觀測，分別在2018年12月5日—2019年1月3日,2019年1月3日—2月27日,2019年2月27日—3月19日,2019年3月19日—4月16日,2019年4月16日—5月15日,2019年5月15日—6月15日,2019年6月15日—7月15日分別采集了樣品，并帶回實驗室在105℃條件下烘12 h后進行稱重。本研究風沙流輸沙量測定利用甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站研制的“風沙流流量計”(專利號:ZL2006110105285.0)收集近地表0—50 cm高度內的風沙流，采集沙樣烘干后稱量。風沙流在強風的作用下向下風向堆積搬運，危害性大，與防沙措施關系密切，通過對不同立地地表流輸沙量的觀測和對比分析，研究不同立地條件地表輸沙量與植被特征之間的關系，確定湖底鹽塵的主要起塵區及其影響地表輸沙量主要植被特征因素，為湖底植被恢復和鹽塵的防治提供技術支撐和理論參考。

2.3 數據處理與分析

利用Excel軟件分析和統計野外采集的各樣方的數據，計算蓋度、密度、多樣性指數、及均勻度指數，利用SPSS 17.0進行方差和相關性分析，Origin 2017繪制變化圖。

2.4 物種多樣性測度

利用Shannon-Wiener多樣性指數(D)來全面地反映群落或生境的物種結構信息及組成的復雜程度的高低;用Simpson優勢度指數(H′)來表征群落或生境遭破壞后修復能力和對抗干擾能力的強弱;用Pielon均勻度指數(E)來反映物種分布情況。其計算公式分別為:

(1) 物種多樣性指數計算公式為：

(1)

(2)

(2) 均勻度指數(Jsw)計算公式為:

Pielou指數:E=H′/lnS

(3)

式中:S表示樣地各層次物種的數目;pi表示整個群落總體中第i種的個數與物種總個數之比。

3 結果與分析

3.1 干涸湖底風沙區植被特征

3.1.1 植被數量特征 對湖底植物群落的調查統計分析，結果表明，研究區群落稀疏，建群種單一，植被覆蓋度低。在調查的27個樣方中，灌木層植物4種，隸屬4科4屬;草本層植物11種，隸屬4科11屬。主要為唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、梭梭(Halxylonammodendron)、蘇枸杞(Lyciumruthenicum)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum));草本植物包括:沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、霧冰藜(Bassiadasyphylla)、刺沙蓬(Salsolaruthenica)、白莖鹽生草(Halogetonarachnoideus)、蝶果蟲實(Corispermumpatelliforme)、阿拉善堿蓬(Suaedaprzewalskii)、駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、畫眉草(Pugioniumcornutum)、砂藍刺頭(Echinopsgmelini)、戟葉鵝絨藤(Cynanchumsibiricum)。研究區平均蓋度14.90%，其中灌木層蓋度最高為固定沙丘白刺灌叢22.86%，其次為穩定沙丘白刺灌叢、半固定沙丘白刺灌叢、鹽堿沙地梭梭林、流動沙地梭梭林、荒地鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢、湖底鹽爪爪群落，最小為湖底灘地僅為0.04%。草本層蓋度最大為流動沙地梭梭林為41.07%，其次為穩定沙丘白刺灌叢7.56%，其他類型草本蓋度均很小。而灌木個數較多的僅為固定沙丘白刺灌叢和荒地鹽爪爪群落。穩定沙丘白刺灌叢、半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林種群密度較大。

表2 湖底不同群落、立地植被數量特征

3.1.2 植物群落物種多樣性特征 物種多樣性是表征生物群落和生態系統結構復雜性的重要指標[20]，體現了群落結構類型、組織水平、發展階段、穩定程度和生境差異，反映了生物群落在組成、結構、功能和動態等方面的異質性。本文采用多樣性指數、均勻度指數來描述不同植物群落的特種多樣性特征。

通過對不同立地條件各植物群落的Simpson指數、Shannon-Wiener指數及均勻度平均值作圖，比較其差異性。從圖1可以看出，隨著生境和地理位置變化，各植物群落表現出不同的多樣性特征。物種豐富度最高為穩定沙丘白刺灌叢，其次為半固定沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢、荒地鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林，最小為湖底鹽爪爪群落;通過對研究區不同立地條件下植被物種多樣性指數的計算，9種立地類型Shannon-wiener多樣性指數(H′)中固定沙丘白刺灌叢、荒地鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢多樣性指數較高，而湖底鹽爪爪群落、半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林多樣性指數較低。而均勻度指數則表現為固定沙丘白刺灌叢、流動沙丘白刺灌叢、荒地鹽爪爪群落、鹽堿沙地梭梭林相對均勻。Simpson指數湖底灘地、荒地鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢與半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林、鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落之間存在顯著差異(p<0.05)，而湖底灘地、荒地鹽爪爪群落與穩定白刺群落之間也存在顯著差異(p<0.05)。Shannon-wiener指數表現為流動沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢與半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林、湖底灘地、鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落、穩定沙丘白刺灌叢之間存在顯著差異(p<0.05)，且湖底灘地、荒地鹽爪爪群落與流動沙地梭梭林、湖底鹽爪爪群落存在顯著差異(p<0.05)。Pielou指數中流動沙丘白刺灌叢、固定沙丘白刺灌叢、湖底灘地與半固定沙丘白刺灌叢、流動沙地梭梭林、鹽堿沙地梭梭林、湖底鹽爪爪、穩定沙丘白刺灌叢之間存在顯著差異(p<0.05)。

圖1 不同立地條件物種多樣性變化特征

3.2 不同立地類型風沙流輸沙量變化特征

青土湖干涸湖底植被稀疏，植物種單一，不同立地類型輸沙量也存在一定差異(圖2)，而且變化幅度也不一致。測定了9種立地類型地表輸沙量，通過對觀測數據整理分析，結果顯示，在2018年12月5日至2019年7月15日期間，在單位寬度(1 m),50 cm高度的斷面上平均輸沙量從大到小依次為:湖底灘地>湖底鹽爪爪群落>流動沙丘白刺灌叢>荒地鹽爪爪群落>鹽堿沙地梭梭林>半固定沙丘白刺灌叢>流動沙地梭梭林>穩定沙丘白刺灌叢>固定沙丘白刺灌叢。湖底灘地在觀測試驗期內，累計輸沙量達2 808.2 kg/m，湖底鹽爪爪群落為2 388.2 kg/m，流動白刺灌叢為2 281.6 kg/m，且4月中旬至5月中旬輸沙量明顯高于其他監測時間段。經方差分析顯示，湖底灘地、湖底鹽爪爪群落、流動沙丘白刺灌叢輸沙量與其他6種立地類型輸沙量存在顯著差異(p<0.05)。

圖2 不同立地類型0-50 cm高度風沙流輸沙量變化

3.3 風沙流輸沙量與植被各數量特征之間關系分析

下墊面性質決定了近地面風沙流輸沙量，而植被狀況是下墊面中影響風沙流的重要因素之一[10]。

利用湖底不同立地類型植物數量特征值與輸沙量進行了相關分析，表3為不同立地類型輸沙量、灌木蓋度、草本蓋度、總蓋度、豐富度、灌木數、密度、平均高、Shannon-wiener指數(H′)、Simpson指數(D)、Pielou指數(E)之間相關系數表。分析結果顯示，平

表3 風沙流輸沙量與植被各數量特征之間相關系數

均輸沙量與灌木蓋度呈顯著負相關，與總蓋度呈負相關關系，植被總蓋度與草本層蓋度呈正相關關系。湖底僅有流動沙地梭梭林、穩定白刺灌叢草本層蓋度較大，而植物數量特征指標中影響輸沙量最顯著的是灌木層蓋度，表明植被蓋度越大輸沙量越低。

4 討 論

在干旱區干涸湖底影響植被群落的諸多因素中，土壤鹽分是影響物種多樣性的決定性因素之一[21]，青土湖屬于干涸鹽湖，多為耐鹽植物構成的單優勢種群落，通過測定流動沙丘白刺灌叢含鹽量達到9.0 g/kg，湖底土壤含鹽量高是湖底植被稀疏、植物群落結構簡單、物種多樣性低的重要影響因素。通過對青土湖湖底2018年12月至2019年7月風沙流輸沙量數據的分析，湖底4月、5月、6月地表0—50 cm高度風沙流輸沙量較高，說明研究區風沙運動活躍期存在季節性分布，主要發生在春末夏初時間段，這與青土湖湖底風速呈現明顯季節性變化特征且年內較大風速分布在4—6月[19]有密切關系。其次，研究區降水甚少，植被稀疏，春季地表異常干燥松散，抗風蝕能力很弱，在較在風力條件下地表更容易形成風沙流。

通過對青土湖干涸湖底9種不同立地類型植被特征和地表風沙流平均輸沙量的監測，并進行相關性分析，結果表明平均輸沙量與灌木蓋度呈顯著負相關，而與總蓋度呈負相關關系，而與草本層蓋度相關性不顯著，這主要是由于草本層植被在干旱區4—6月才開始萌發、生長，或在降雨少的年份，未能萌發，而在風季4—6月草本層植被未能發揮較大的防風固沙效能。而物種豐富度與輸沙量的關系不顯著，主要原因是湖底植物種類少，物種豐富度低，特別是每個植物群落中灌木植物數量少，且優勢種明顯，因此豐富度對輸沙量影響較小。在試驗區9種類型中雖然不同立地條件植物種平均高度差異性較大，但是人工梭梭林、白刺灌叢、鹽爪爪植物群落物種高度與地表輸沙量相關關系不顯著，是由于湖底大面積人工梭梭林造林后地表還處于流動狀態，風蝕較為嚴重。

研究結果表明青土湖干涸湖底灌木層植被發揮著重要的防風固沙效能，灌木層蓋度的增加顯著影響了風沙流輸沙量變化。這一研究結果與韓旭嬌[22]、汪季[11]、余沛東[23]、董治寶[24]、邢恩德[25]、劉芳[26]等研究的在相同風速條件下，植被蓋度是影響風沙流輸沙量的重要影響因素的結論是一致的，但是本研究分析結果表明灌木層蓋度大小是影響湖底地表風沙流輸沙量的主要因素之一，比上述研究結果更進了一步。

5 結 論

青土湖干涸湖底風沙區植被覆蓋度較低，建群種單一，灌木層植物4種，隸屬4科4屬;草本層植物11種，隸屬4科11屬。各立地類型物種多樣性指數和均勻度指數均呈現波動變化特征且存在差異性。受風速的季度分布特征影響，青土湖干涸湖底地表風沙活動危害主要集中在4—6月，期間地表風沙流輸沙量較大。在9種立地類型中，湖底灘地累計輸沙量最大，次之為湖底鹽爪爪群落和流動沙的白刺灌叢。

植被蓋度是影響地表輸沙量的重要影響因素，本研究結果表明青土湖湖底灌木層蓋度與平均輸沙量呈顯著負相關關系，而草本層蓋度與輸沙量相關性不顯著，因此灌木層蓋度是影響青土湖湖底地表風沙流風蝕、堆積的重要因素之一，對草本層植被蓋度影響較小。

在干旱區干涸湖底土壤鹽分是影響物種多樣性的決定性因素之一。隨著石羊流域綜合治理工程的實施，青土湖內蘆葦濕地面積逐年增加，但是部分區域仍然被沙丘和鹽堿風沙土覆蓋，鹽堿化問題嚴重，造成大部分植被不能生長，風沙危害依然存在。在下一步的觀測研究中將對湖底風沙區土壤鹽分含量對植被群落變化和鹽堿風沙土運動的影響進一步開展相關研究。